摘要隨著計算機和網絡技術的發展以及生產規模的不斷擴大，應用于工業監控領域的硬件與軟件設備的種類也越來越豐富，系統集成變得越來越復雜和困難。為解決這個問題，OPC技術應運而生，它提供了一種標準的數據訪問機制，極大地減少了系統集成過程中的摘要隨著計算機和網絡技術的發展以及生產規模的不斷擴大，應用于工業監控領域的硬件與軟件設備的種類也越來越豐富，系統集成變得越來越復雜和困難。為解決這個問題，OPC技術應運而生，它提供了一種標準的數據訪問機制，極大地減少了系統集成過程中的重復工作。一般OPC服務器與硬件設備的連接用現場總線技術，而目前各種現場總線產品由于協議的不同無法協同工操作。BACnet標準是一種開放式樓宇自控網絡數據通信協議，具有很強性，能實現設備之間的互連互通。因此將BACnet引入到工業監控領域，能有地彌補現場總線的不足本文在對OPC標準和BACnet協議進行深入研究的基礎上，提出了基BACnet協議的OPC服務器設計方案，解決了監控系統和現場硬件設備的互連互操作問題，構造出了一個有效、完整的監控體系。同時針對監控系特點，提出了保證MS／TP網絡實時性的算法，設計了BACnet底層數據模塊，完成了BACnet協議數據與OPC數據的轉換，并增加了OPC服務器對機交互界面的支持，從而使OPC服務器具有更強的靈活性。為了向其他工控軟件提供數據庫接口支持，設計了OPC服務器的數據庫系統，提高了OPC據的訪問效對外接口是OPC服務器對外提供標準OPC數據的唯一通道，同時也是服務器開發中最難實現的一個部分。本文基于工業監控領域對C服務器對外接口的需求，采用Teaoff技術對接口進行定制開發，只對需要調用的接口進行實例化，這樣不僅縮短了開發時間，而且也節省了系統資源。最后，從實時性和應用性的角度對開發完成的服務器各項指標進行了測測試結果表明本系統完成了預期設計目標，能夠滿足面向專業機械設備現場控的應用需本OPC服務器設計完成以后，在廣東省科達機電股份有限公司的恩施中得到應用，效果良好Withcomputerwell thescaleinfieldofindustrialcontrolandmoreandmoreinanddifficult．TosolveincreasinglyintoastandarddatainsystemintegrationofgreatlyserverandhardwaredevicesfieldbusofthedifferencesindueandachievedworkingWithcomputerwell thescaleinfieldofindustrialcontrolandmoreandmoreinanddifficult．Tosolveincreasinglyintoastandarddatainsystemintegrationofgreatlyserverandhardwaredevicesfieldbusofthedifferencesindueandachievedworkingisopenautomationnetworkdatahi曲realizeinterconnectionbetweendevices．BACnetthefieldforthelackofcontrolcaneffectivelystandardoftheOPCandInprotocolsbasedonin—basedonBACnetprotocolistodesignandon-sitehardwareinterconnectionmonitoringeffectiveforcompletemonitoringcharacteristicsofthenetworkmonitoringMS／TPnetworkensurereal—datathedatawiththeOPCandincreaseofthatOPCservertheorderinterfacestootherandcontrolsoftware，designtheOPCserverdatabaseofOPCdataTheexternaliSaOPCserverprovideoutsideonlychannel，OPCserverdevelopmentiSalsoapartofthemostdifficulttoiSbasedontheOPCserverinthefieldofThiscontr01ofTear-offneedtocalltheinterfaceinstantiate，SOthesavesthedesignofpartsoftheOPCserver，andtestreal．timeneedtocalltheinterfaceinstantiate，SOthesavesthedesignofpartsoftheOPCserver，andtestreal．timefromoftheindicatorsontestmeet completetheequipmenton— applicationTheOPCserverisKedaEnshitogoodProvincehasappliedittheprojectStandard；OPCMonitoring本人聲明，所呈交的論文是本人在本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作明并表示了謝簽名：盟日期．遜咎2扣學位論文使用授服務研究生(簽鼽鹺彳導師(簽名焉．【～L-,期汐嘩馴第1章緒本課題的研究來源于教育第1章緒本課題的研究來源于教育部和廣東省共建項目：面向墻材專用機械裝現場監控系統1．2隨著信息技術的不斷發展，工業監控軟件也取得了長足的進步，引領著動化領域的深刻發展。但是，由于過程復雜程序的提高以及生產規模的擴硬件設備進行數據交互，那么必須為每一個相應的設備開發相應的通信模塊，不但要求開發者要熟悉各廠商的產品，而且還要花大量的時間和精力來開發層通信模塊。如果設備數量很多的話，開發者的工作量將會是十分驚人的。外，這將導致工業現場的控制數據很難與生產管理層和經營管理層的應用軟Il'在工業信息化高速發展的今天，我們需要解決各離散子系統間的數據和共享，各子系統需要統一和協調的通信規范，再考慮到實時監控系統往往要升級和調整，則各子系統需要具備統一的開放接口。OPC規范正是這一思的產物。C是以OLE／COM機制作為應用程序的通訊標準。C為多種多樣都以統一的方式去訪問，可以減化和促進企業內部各系統的集成，更方便現制造企業的“管理和控制一體化BACnet是一種建筑自控領域的數據交換和通訊標準，由于它是基于面向的思想進行設計，因此具有很好的開放性、可拓展性和可復用性。所以能很好的解決了不同廠商生產的樓宇自控設備間的互聯和信息共享，實現了互和互操作【3】。而BACnet本課題研究的目的是將BACnet協議應用于工業監控領域，使BACnet與OPC標準達到珠聯璧合的效果，開發出具有更加通用性的、可擴展性本課題研究的目的是將BACnet協議應用于工業監控領域，使BACnet與OPC標準達到珠聯璧合的效果，開發出具有更加通用性的、可擴展性和更靈活的OPC服務器。并將開發出的成果運用于專用機械裝備現場監控之中過現場的檢驗和測試，使研究成果得以應用。這樣既可以深入探索BACnet標在工業領域的應用，又可以促進我國BACnet技術的發展水平，也同時為服務器的開發提供了一種新的思路OPC標準自1996年8引入新的理念以適應當今信息化的快速發展。2006年9月，OPC基金會公OPC的新標準——oPCUA(UmfiedArchitecture)，即OPC統一架構。以現實需求為原動力，依托互聯網技術、．NET通訊架構，采用SOA(面向的體系結構)理念，能夠從設備控制、SCADA、可視化到資產管理、生產庫存管理進行全方位、立體式的監控h國外對OPC的研究及應用非常熱門，目前已經有300多家公司加入了基金會，已有600種以上的OPC服務器產品和OPC應用程序產品出現在基金會發行的OPC產品目錄上。工業領域代表性公司，如GE、SiemensWonderware、Honeywell等，不但參與了OPCOPC一系列的標準推向工業領域【8】。隨著OPC技術的發展，國內也有眾多的動化公司已經開始積極探索OPC技術的應用開發。浙大中控是國內第一批會員單位，現在已經開發出大量的符合OPC標準的優秀產品。國內的軟件公如北京亞控公司的組態王、三維力控等開發出的OPC產品已經廣泛地應用在化、電力、港口、鋼鐵等領域從理論研究的角度上看，BACnet自成為國際標準以來，就一致被國內多的研究機構所關注。國外對BACnet標準的研究主要是在韓國漢陽大學電子絡實驗室，該實驗室研究主要是研究各種網絡通信協議，而BACnet只是其中一部分罷了。從目前國內外研究的現狀來看，國內研究主要集中在對的理解，運用以及協議棧設計，國外研究主要集中在網絡協議性能分真實驗方面16’7J數十家知名公司在進行BACnet技術研究和產品開發，許多產品已經開始商用2而在國內，Ant標準的研究還處于起步階段，雖然已經引起了一些企業的關注，但是尚未形成能夠投向市場的產品【引。究其原因還是由于國內企業目前對標準的研究不足，而且沒有熟悉協議設計的開發團隊。國內的樓宇產品，要么就是采用私有通信協議的產品；要么采用現有專利技術進行二次開發，這類產品不開放規范，很難和其他廠商的產品相兼容而在國內，Ant標準的研究還處于起步階段，雖然已經引起了一些企業的關注，但是尚未形成能夠投向市場的產品【引。究其原因還是由于國內企業目前對標準的研究不足，而且沒有熟悉協議設計的開發團隊。國內的樓宇產品，要么就是采用私有通信協議的產品；要么采用現有專利技術進行二次開發，這類產品不開放規范，很難和其他廠商的產品相兼容l。研究基于開放規范的BCnet產品對提高我國產品的自主研發能力非常重要。本課題組借助廣東省大力發展企BCnet本課題研究的目標是：將t協議標準應用于現場監控網絡的現場控制器和監控服務器，開發出模塊化，獨立于應用的OPC服務器，實現面向專用機械裝備的現場網絡監控系統。對所設計的OPC服務器的各項指標進行驗證和測深入研究OPC標準，對OPCDA規范進行仔細分析，充分理解服務器存取數據的機制以BACnet協議為標準，設計出OPC通過工業現場測試，驗證OPC本文的結構安排如下第二章OPC標準與BACnet協議研究。首先對OPC標準和BACnet行了介紹，然后再對二者進行深入了解的基礎之上，提出了BACnetOPC的概念，并總結了BACnetOPC服務器所具有的后對各個部分分別進行設計，提出相應的方案并進行優化，這里面包第四章第四章BACnetOPC服務器的實現。首先通過相應的開發工具對OPC服務4第2章OPC標準和BACnet協議oPC標OPC技術第2章OPC標準和BACnet協議oPC標OPC技術Contr01)標準是一組以組件對象模型和分布式組件OPC(OLEfor象模型(COM／DCOM)技術為基礎定義的獨立于廠商產品的接口規范，是由微軟與世界領先的自動化廠商合作制定的一項工業標準，它為工業自動化領域和自¨基金會發布的OPC規范有二十多種，其中常用的有以下幾種：數據訪問andEvents)、歷Access)、報警及事件處理規范HistoricalAccess)。OPC標準要求所有硬件供應OPCOPC以進行通信，從而實現多種系統之間真正的集成【131。因此，上層的信息集成系PPC采用C(客戶／服務器)模式，定義了一組CO對象及其接El規范。OPC的實現，因此OPC服務器可由不同供應商提供，其代碼決定了服務器訪問物理設備的方法、數據交互等細節Il引。但這些對OPC客戶程序而言都是透明的，只需要遵循相同的方法或規范就能讀取服務器中的數據。通過COMOPC客戶程序可以和一個或多個提供商的OPC服務器連接，而同時一個服務器也可以和多個客戶程序相連，形成多對多的關系。任何支持OPC的產品都可以無縫地實現系統集成，達到數據共享的目的。由于OPC技術基于M技術，所以服務器程序和客戶可以分布在不同的主機上，從而形成網絡化的監控系統【161。OPC技術從一出現就開始受到各大廠商的廣泛關注，發展十分迅速。外許多公司紛紛在自己的產品中增加對OPC服務器或接口的支持。很多軟件不用關心COM技術復雜的實現細節，很方便定不用關心COM技術復雜的實現細節，很方便定制開發自己的OPC程序。ComCoM原OPCCOMDCOMC的快速開發工具包，能夠屏蔽COM技術細節，但是這并不意味著開發COCOMCOPC產品。COCOCOCO前MWNDOWMCOM規范中，對象是一個非常關鍵的元素，常被人們稱之為COM為COM對象提供活動空間，M對象以接口的形式對外提供服務，這個接口被稱之為COM接口。COM組件、COM對象以及COM接1：3---者之間的關系圖2．1所示f221CoM組對象對象圖COM組件、對象一個組件程序可以包含多個COM對象，而一個COM對象也能實現多個接口。當客戶程序需要調用組件的功能時，它必須先要創建一個COM對象或者通過其他方法來獲得COM對象，然后通過該對象所提供的COM接口來調用服務。當服務完成以后，客戶程序要釋放該對象。(1)COM以對象形式封裝的軟件實體。COM組件和客戶程序通過對象進行信息交互6件的模塊名稱和位置對客戶而言是透明的。COM對象也包含屬性和方法，也被稱之為狀態和操作。對象的屬性反映了對象的特點和數據，而對象的方法大多是對象提供給外界的接121，客戶程序只有通過接121才能獲得對象服務【251。在COM規范中，COM對象對于客戶來說是不可見件的模塊名稱和位置對客戶而言是透明的。COM對象也包含屬性和方法，也被稱之為狀態和操作。對象的屬性反映了對象的特點和數據，而對象的方法大多是對象提供給外界的接121，客戶程序只有通過接121才能獲得對象服務【251。在COM規范中，COM對象對于客戶來說是不可見的，客戶只能通過接來請求服務，也只能通過接口來查詢COM對象。每個COM對象都有一個Identifier，全局唯一標識符)標識符來標位的GUID(Globally存在。GUID是一個隨機數，可以通過C++6．O提供的GUID生工具UUIDGenl．exe來生成【Z引(2)COM接口的定義是COM規范的核心內容，接口其實就是包含了一組函數的數據為了適應COM規范以及應對軟件的升級，COM接口應具有以下特性【29】可擴展性。COM接口雖然具有不變性，但是還是可以擴展的。COM口通過繼承原有的接口而進行擴展，但是與面向對象中的繼承不一樣的是接口只繼承說明，并不能繼承接口的實現。標識符。客戶成功地創建了COM～個指向該對象某個接口的指針，客戶程序可以通過這個指針來訪問這個接口，從而得到想要的服務。COM規范規定如果一個COM對象實現了多個接口，那么可以從任意某一個接32得該對象提供的所有的服務(3)COMCOM庫是COM規范中唯一實現的部分，它的存在使得對象和客戶程序夠在二進制代碼級進行交互。這些實現在WINDOWS系統中以DLL文件的形存在。COM庫負責組件程序的定位。當客戶在創建組件對象時，COM庫負7啟動組件進程或裝入組件模塊，為M對象創建做好前期的準備工作【3。啟動組件進程或裝入組件模塊，為M對象創建做好前期的準備工作【3。1。如果客戶是在另一臺機器上創建對象，則兩臺機器上的COM庫會協同完成M對象的創建工作，并在客戶進程中創建一個代理對象，客戶程序直接與代理對發生了變化，客戶程序也不用重新編譯就可以照常使用OPC標準總體OPC數據存取規范描述了由OPC服務器實現的OPCCM對象及相應接口的定義。規范指出多個OPC客戶程序可以同時連接到一個C服務器上，一個OPC客戶程序也可以連接多個不同廠商生產的OPC服務器程序。OPC然可以有不同的廠商提供，但是他們的接口都是統一的，所不同的是服務器要由OPC標準可知，OPC服務器是由服務器(Server)對象、組(Group)對象和項(Item)對象組成。OPC服務器對象除了包含服務器的信息還作為組對象的容器而存在，組對象不僅要包含其自身的信息還要為項對象的存在提供邏輯組織。OPC組對象的主要作用是為客戶程序提供一種數據的組織方式【36。。在每一個組對象中可以定義一個或多個C項。C據源的連接，是OPC從硬件設備上讀取到的數據的存放處。從自定義接口的角度看，OPC客戶程序不能直接訪問OPC項數據的。因此，沒有為OPC項定義xraC項相關的信息有值(alu)，品質(Qulit)和時間戳(TieStamp)[37oVARIANT類型，這是WINDWS系統定義的一種數據結構，品質指的是項的內在屬性，如數據是否有效等，時間戳則指明了項值產生的時間。OPC體系結構是客戶／N務器模式，OPC對象接口向OPC要實現一個OPC服務器，從物理設備或其它數據源獲取數據的速率一般來講比現場總線要慢，所以OPC服務器最好設計成一個本地服務器，這樣可有效收集物理設備或數據庫中的數據。可以通過OPC客戶端來對OPCOP服務器對象和組對象。因為這兩個對象能夠被OPC客戶端所識別，如果沒有這兩個對象，C服務器就沒有存在的必要了。通過實現這兩種標準的COM服務器對象和組對象。因為這兩個對象能夠被OPC客戶端所識別，如果沒有這兩個對象，C服務器就沒有存在的必要了。通過實現這兩種標準的COMOPC服務器對象是客戶端需要訪問的第一個對象。客戶端通過訪問服務對象的接口與之進行交互。一個服務器對象里可以包含一個以上的組對象。服務器對象的主要功能為是管理服務器內部的狀態信息，并且創建和管理組對象，瀏覽服務器內部的數據組織結構，將服務器的錯誤代碼翻譯成描述性語句，同步讀寫數據等。組對象的主要作用是組織和管理服務器內部的實時數據信息，它作為C項對象的容器而存在。正因為有了組對象，OPC應用程序就大批量地對所需要的數據同時進行訪問，提高數據的訪問效率，當然也可以以組為單位啟動或停止數據訪問。其主要功能為：管理組對象內部的狀態信息，創建和管理項對象，進行數據訪問等。CC異步訪問方式，OPC客戶端向服務器發送訪問請求，但是客戶端不用C據訪問時，觸發OPC訂閱訪問方式，訂閱不同于同步和異步訪問，因為這兩者都需要客戶端發送訪問請求，而訂閱方式則是客戶端自動接收服務器送來變化數據的通知。OPC服務器會按一定的更新周期來更新緩沖區的數值，一旦發現緩沖區數據接收的準備工作BACnet協議分BACnet(Aforand9BACnet協議則，BACnet協議以四個層次的簡化分層作為其協議的主要體系結構，這四層相當于OSI模型中的物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層，如圖2．2所示。的靈活性【12’14JBACnet協議層OSI次應用層BACnet應用BACnet網絡網絡IS08802- lMS／TP88IoS20一3[ARCNET[EIA-485IEIA一圖2．2BACnet體系結物理BACnet應用層。應用層是BACnet協議的最具特色的一部分，也是t協議定義最豐富，最難于實現的一層。該層的協議以面向對象的思來設計，包含應用層服務，對象模型，應用層狀態機等。與OS—RM的應用層相比，它綜合了更多的功能，將OSI．RM的傳輸層，會話層，表示層和應用層四個層次概括為一個應用層。t標準應用層的功能是根據樓宇自控網絡的特點對OSI—M中傳輸層、會話層、表示層和應用層中定義的功能進行定制，刪除不必要的功能并將保留的功能進行重新合理安排。這樣t要是可靠性傳輸及有關規程協議的定義以及互操作信息抽象語法與傳輸語法的ACet網絡層。由于互聯網的龐大和復雜，SI．M和流量控制是非常復雜。而樓宇自控網絡首先是一個局域網，不需要這么復雜Intere域網絡。其次，樓宇自控網絡一般都是比較固定的，一旦施工完成中傳輸大多是開關量等非常少的數據量，因此是“短消息"，即使傳輸“長消"，也可由BACnet標準應用層的分段機制來完成，而不需要網絡層再做任(3)物理層和數據鏈路層。BACnet標準的數據鏈路層和物理層與I．中的兩層無論是在功能上還是在實現上都是匹配的。物理層傳輸無結構的比特流，鏈路層實現無差錯的幀傳輸，并為網絡層提供服務。BACnet標準定義了5種具體的物理層和相應的數據鏈路層，以適應不同性能／價格比的要求【17l于要將BCnet協議推廣到工業領域的考慮，在設計方案時將選擇S／PBC低成本上有很好的優勢MS／TP協議實時(1如)傳輸介質的接入延遲，具體的說就是數據鏈路層的控制問題，即MAC效MSTP不場監控網絡的特點，提出了一種新的算法，來保證MS／TP網絡的實時其實MS／TP鏈路層協議的調度機制比較簡單，一般是通過控制節點握牌的時間來改變每個節點分配的帶寬。其中令牌握有時間主要是由蛾MM惚的基礎是單個節點已知全網各數據節點的負載，從而動態調整Ⅳm甜他節點的報文請求隊列負載值，所以實際上通過計算其他節點負載比動態改變本節點的帶寬大小是不可能做到的。因此該算法不能夠應用程當中，只能作為實程當中，只能作為實驗室騅網絡性能的一種手段【201性要求，數據通信量大小，優先級高低等方面各不相同。要想保證整個網絡的實時性，就要對不同的報文類型進行區別傳送，對優先級較高的報文要優先進行傳送，優先級較低的報文要推后傳送【221。對于實時性算法，若要其能夠應用于實際，就必須滿足以下情況任何算法的提出都必須保證符合MS／TP協議的一致性，否則將影響協議的正常運行假設整個網絡負載為LoadB笥報文產生長度，乃是節點對艮文產生間隔，這是一個對網絡負載性能進行評估公式節點的延遲要求不同(凈lt0Ⅳ)，為滿足周期報文的延遲限制，則乃必須小于準周期Tf，和報文發送間隔比節點的延遲要求不同(凈lt0Ⅳ)，為滿足周期報文的延遲限制，則乃必須小于準周期Tf，和報文發送間隔比值為為№2巧 毛=Kff=1．--Nl第二步 發送窗口大小，．，Qt指在周期T。內網絡平均報文產生數(2—第三步：發送報文的初相，即發送報文的起始時間，所以Tl(2-BACnet協議三要由于采用了面向對象分析和設計的先進方法來設計BACnetCnet協議中定義了一組標準的對象類型，來作為建立t服務的一種框架。而應用層所提供的服務就是對這些標準對象的屬性進行操作或訪問。毫無疑問，對象(Object)、屬性(Property)和服務(Service)構成24261。(1)BACnet對象：在BACnet和封裝，所得到的模型就是BACnet對象模型。它將樓宇自控設備看作由一定量“基本控制功能單元”所組成的，且任何樓宇自控設備均可用有限數量本控制功能單元”進行描述和表示。這些“基本控制功能單元’’在BACnet中稱為“對象(Object)”t對象，最后所有的樓宇自控系統都可以用這些對象來組合，就像搭積木一樣，能夠非常快速是建立起一個自控系統12¨AnBAnBC標準中，共定義了23個標準類型對象【3一兩t服務：服務即為對象的方法，服務提供了如何訪問和操作這的編碼。從通信的整個流程來看，服務還具有要求接收服務的環境對服務是否應答的消息。從是否應答的時序行為上來分，服務可分為“非確認服務(UnconfirmedService)"和“確認服務(ConfirmedService)"兩類。標準中定義了35個服務，分為6個類別【j111OPC與BACnet結合可行性OPAnOPC效果呢。從以下的幾點分析，我們可以看出，OPC標準與BACnet(1)由于OPC標準的實現是以COM／DCOM技術為基礎的，而COM技目前只有WINDOWS操作系統支持，所以OPC服務器目前只能運行WINDOWS平臺，但是所有的工業現場設備的數據都在廠房內，那將廠房內設備的信息送到監控計算機里面去，只有這樣OPC服務器業現場的數據。廠房設備與計算機的連接目前大部分采用的都是現場總線形最常用的現場總線技術是N總線和PROFIBUS總線。但是現在沒有哪一種總最常用的現場總線技術是N總線和PROFIBUS總線。但是現在沒有哪一種總線能夠應用到所有的工業控制領域，而各總線因為協議的不同而無法實現互連互通和互操作，這給用戶的選擇帶來極大的不便。通過前一小節的分析我們知道，t協議是面向對象設計、獨立于應用的協議，能夠很好地彌補現場總性的要求高，所以要想將BACnet協議應用到工業控制領域還需要對BACnet網絡實時性進行相應的改進。本文在上-d,節中，已經對BACnet協議中網絡的實時性進行了研究也提出了相應的改進算法。并且這種改進是在tBCneBACnet協議與OPC標準的結合對雙方都是十分有好處的。OPC標準因為采用了BACnet協議作為其底層數據的采集層，可以使OPC服務器具有更強的通用性和靈活性，使其應用不再受底層數據采集的限制。對于BACnet而言，通過在OPCBACn樓宇控制系統，這對BACnet協議的發展是十分有好處的本章首先對OPC標準進行了較為深入的研究，分析了OPC標準所采用的COM／DCOM技術，并且對OPC標準規范進行了研究，了解了OPC服務器的總體架構以及設計思路；然后介紹了BACnet的體系結構，對于BACnet實時性上的要求提出了一種保證實時性的算法，對BCt協議的三要素進行了仔細的分析，這對于后續章節中OPC服務器數據采集的設計有很大的幫助；最后分析了OPC標準與BACnet協議相結合的可行性，為OPC服務器的設計提供了理論上的支第3章BACnetOPC服務器的設為了方便對專第3章BACnetOPC服務器的設為了方便對專業術語的描述以及理解，本文將基于BACnet協議的OPC器簡稱為OPC服務器。本章主要研究OPC服務器的整體設計OPC服務器總體3．1．1系統設計需求BACnetOPC服務器的設計必需要能夠滿足工業監控現場的需要，為工業監工業信息化的發展作出相應的貢獻。為此，本文提出BACnetOPC服務器的五OPC服務器作為一種數據服務器，應該能夠向其他軟件或系統提供數據服務，這是對OPC服務器最基本也是最本質的要求。所以BCnetOC器也不例外，因此BACnetOPC服務器必須要實現OPC標準所定義的接口規范，從而使得其他監控軟件的OPCBACnetOPC為OPC服務器上已經存在了大量的工業現場的數據，因此用戶可以在該服務器上能夠查看這些數據，并進行數據分析。這就要求BACnetC較高。因此一個小型的，功能較為齊全的監控軟件不失為他們的最佳選擇(3)BACnetACnt協議與C不同，因此，要想將BACnet協議數據應用于OPC服務器，這里也必須要有一個數據的轉換過程i轉換的思路就是要將ACnt協議與C不同，因此，要想將BACnet協議數據應用于OPC服務器，這里也必須要有一個數據的轉換過程i轉換的思路就是要將BACnet對象的數據屬性轉換為與工業監控軟件相兼容，BACnetOPC服務器應該具有相應的數據庫系統是要有內存數據庫系統。因為內存數據庫存在于計算機內存上，實時性非常高有利于數據的快速傳輸。另外，該服務器還應具有歷史數據庫系統，以便綜上所述OPC服務器應該是能夠提供多種功能，滿足不同場合求，非常靈活的一種數據服務器3．1．2根據上一小節需求分析，BACnetOPC服務器的總體架構如圖3．1終端電圖OPC服務器總體框由圖3．1可知，BACnetOP由圖3．1可知，BACnetOPC服務器有四部分組成：數據驅動層、數據緩存層、對外接口層以及數據庫系統。各個部分之間具有很強的層次性，數據驅動層通過S／P網絡獲得工業現場的數據，然后將數據送入數據緩存層；數據緩存層對數據進行映射處理，向對外接口層以及內存數據庫提供數據來源。現對數據驅動層。該層的主要作用是獲得工業監控現場的數據，計算機與工業現場設備通過S／P網絡連接。數據驅動層要完成兩個功能，一個是完成工業現場數據與t協議數據的轉換，另一個功能是完成BACet務對底層數據的讀取工作。數據緩存層。從t底層驅動所獲得的數據要存儲在緩存層，并進行相應的轉換，即將BACnet協議數據轉換為OPC項對象數據，同時在這一層還要為OPC的服務器對象和組對象設計合理的數據結構，以實現服務器對象對外接口層。該層是OPC服務器向外提供OPC標準數據源的唯一出口，該層必須實現OPC標準的對外接口，否則C客戶端將不能獲得該服務器數據驅動層主要完成對工業現場設備數據源的讀取。讀取的要求就是必要保證數據的實時性，這個已經在第二章中得到了論證。讀取數據的分為兩個部分：數據轉換和數據轉輸3．2．1工業現場數據與BACent工業監控系統雖然不同于智能樓宇控制系統，但是二者都是控制系統，在很多方面都有相似之處。對于數據形式而言，在工業監控領域有很多的復雜的數是變量的開或關兩種狀態，如閥門的值、傳送帶的運行或停止等，也而在BACnet協議中，表示數據的對象一共有六種：模擬輸(AnalogInputObjectType，簡稱AI)、模擬輸出對象類型(AnalogOutputType，簡稱AO)、二進制輸入對象類InputOutputObjectType，簡稱BO)、模擬值對象類(AnalogValueObjectType，簡稱AV)、二進制值對象類Type，簡稱BV)。通過比較可以得知，工業現場的開關量數據相當于表3．1工業現場數據與BACnet數據的對應關BACnet數據對象類開關BI、AI、狀態中間由表3．1BACnetBIBACeO，顯示輸出的封裝為AOAIA4狀態量最大數值容量的需要；將中間量卦為BACnet協議中的AV，因為AV的數值占用8法，就可以完成工業現場數據向BACnet數據的3．2．2數據驅動流程數據驅動的過程也就是BACnet應用層向數據鏈路層索取服務的過程。驅動流程與BACnetBACnet其他的請求由計算機來完成。BACnet協議數據服務請求流程即數據驅動流程讀取下一設圖3．2數據圖3．2中的設備指的是BACnet設備對象，對應于工業現場中現實的工業設(1)配置S／P網絡，這包括定義網絡名稱和網絡號、配置串口或口的屬性、MAC地址、最大連接數等MS／TP網絡參數，這些參數對于調節網絡的實時性有很大的幫助，用戶可以根據自己的需求選擇適合自己的參數，從而避免對網絡資源的浪費中所有設備的設備號，所有的設備號保存在設備列表中以供使用態則轉入步驟(4信息，并將該信息存儲在變量信息列表中，以供OPC服務器來使用。讀信息，并將該信息存儲在變量信息列表中，以供OPC服務器來使用。讀根設計服務器對象和組對象3．3．1BACnet數據轉換為oPC數BACnet協議所獲得的數據具有以下幾個屬性：數據所屬的設備的設備號(DevicelD)、數據所屬的數據類型(DataType)、數據的標識號(Objectl)、以及數據所對應的值(ae1】。t數據必須轉換為C項對象才能供服務器所使用，而C項對象，也被稱為標簽(Tag)，具有值(Valu)、品質(Quality)、時間戳(TimesStamp)三個基本屬性。其中值的類型為VARINAT，表示實際的數值，品質則標識數值是否有效，時間戳則反應了從設備讀取數據的時間或服務器刷新數據存儲區的時間。因此、必須要設計一種數據結構，能夠同時兼容BACnet協議數據與OPC數據的屬性，并且還應具有顯示特性。用這種數據結構來緩存所得到的數據，可以很好地實現BACnt數據與OPC數據的映射。這種數據結構可以設計成為一個結構體。結構的定義如下所示typedefstruct{／／設備／／類型／／數據標識／／OPC／／OPC／／OPC／／OPC項的時間該結構體除了包含BACet與OPC的數據屬性，而且還增加了一個OPC項名稱的屬性，增加該屬性的目的是為了在服務器的界面顯示上能夠很好地展示OPC所具有的數據項。vARIN該結構體除了包含BACet與OPC的數據屬性，而且還增加了一個OPC項名稱的屬性，增加該屬性的目的是為了在服務器的界面顯示上能夠很好地展示OPC所具有的數據項。vARINT類型是WINDWS系統定義的一種數據類型，它的T屬性指明了該值所屬的類型，如整型、字符型、符點型、字節型等。正因為如此，則可以很方便的將BACnet對象數據轉換成OPC項對象數據。轉換方式是將BACnet中的BI、BO轉換成VT屬性為字節型的VARIANT類型的量，將AI、AO轉換為T屬性為符點型的VRIAT類型的變量，將AV轉換為VVARIAT類型的變量。因為一個結構體只能表示一個數據，而服務器要處理的數據是大量的，那么織呢，考慮到服務器配置的時候有可能會增加或者刪除某個OPC3．3．2服務器對象OPCServer類設OCSevr類實現C服務器對象。它的主要功能是對組對象的創建進行管理，并且提供在枚舉時使用的組對象快照。另外，OPC服務器對象還是組對示m宰OPCServer類維護所有接口的引用生存周期，這是通過管理接口的引用計數來實現的，當有使用接151時，引用計數加l，當使用完接口時引用計算減1。當引用數為0后，就可以釋放服務器對象中該接口的指針GenerateTransaction(DWORD幸LPOLESTR*幸GroupList，int木LPOLESTR*幸GroupList，int木圍查到的當前組對象列表，從而確定組對象的屬性在OPCGroupist結構體中列舉了該OPCServer所包含的組對象。它包括一個顯示該組對象是由存在的指示器和組對象的接口指針。OCSeverOPCServer類接口的全部功能將由IRealOPCServer類實現，其都嚴格遵守OPC規范。它通過一個溯源指針(OPCSerVer毒OPCServer交互3．3．3組對象OPCGroup類設OPC組對象是OPC項對象的包含容器，因此它管理著對OPCOPC組對象擁有很多輔助函數來實現模塊化功能。OPCGroup事奉m·m幸事·m事事木士OPCGroup中定義了異步、同步通信時所需OPCGroup中定義了異步、同步通信時所需的變量和功能函數，它也包含一枚舉對象的結構，對項對象的控制就是通過該結構來完IRealOPCItemMgt類與IRealOPCServer的功能相似，唯一的不在OPCGroup內管理項，而IRealOPCServer是在OPCPCSeⅣer內管理OPCGroup。該類實現IOPCItemMgt的所有方法，并提供一個溯源變量木parenO用來與其所屬的OPCGroupIRealOPCSynclO類實現IOPCSynclO接口的所有方法，該接口項對象數據的同步讀寫，并提供一個溯源變量與所屬的OPCGroup所屬的OPCGroup類相關個溯源變量與所屬的OPCGroup對外接口層是OPC服務器對外提供標準OPC數據服務器最關鍵的一部分，該部分所有的接口都已經由OPC標準定義好了，開發者只要實現它就行了。但是只實現對外接口是不能完成OPC服務器對外提供數據功能，還需要對該接口層進行輔助的設計，比如對外接口的配置、客戶端訪問流程設計等【403．4．1對外接口配置功能設對外接口的配置功能主要是對服務器的各個參數以及運行狀態進行設定，其主要目的是為了向外界提供更好的接口服務，這些配置的實現主要是由用戶通過界面進行操作來實現的，當然也可由服務器來自動完成。這五項功能作詳細介紹注冊／注銷服務器：因為OPC服務器是基于OLE／COM／DCOM技術，所以只能運行在WINDOWS系統，為了使客戶端軟件能夠訪問到OPCOPC從系統中注銷。OPC從系統中注銷。圖3-3激活標簽：只有被激活的標簽，客戶端才能訪問到對應的實時的數據，否則是不一樣的。因此，為了增加服務器的靈活性，需要對刷新周期進行設3．4．2數據訪問的流程設開發者可以根據自身的需求對接口進行實現。那么實現接口就要考慮到客程序訪問數據的流程方式，因為不同的訪問數據流程對于數據的訪問一樣的【42舢】。訪問流程要力爭簡捷，本文結合一樣的【42舢】。訪問流程要力爭簡捷，本文結合工業監控現場的實際情況．對于數據訪問流程進行了較為合理的設計。客戶程序訪問數據流程如下所示(1)啟動OPC服務器，一般OPC動而自動啟動。當然設計中也考慮到了可以讓用戶手動啟動或注銷服務器啟動以后，等待客戶端的連接請求，一旦發現有客戶端要連接到服務器上，此時服務器將會創建服務器對象。服務器對象將承載客戶進一步服務器啟動以后，等待客戶端的連接請求，一旦發現有客戶端要連接到服務器上，此時服務器將會創建服務器對象。服務器對象將承載客戶進一步刪除項對象的功能函數，對項對象進行添加／刪除操作。操作完成以后服務器返回到狀態如果請求行為是設置項的狀態，服務器將首先根據請求參數找到該項對象，然后對項對象的狀態進行設置。設置的結果以函數返回參數的方式返回。如果成功返回0，如果失敗返回相應的代碼編號。操作完成以后，服務器返回到(2如果客戶端請求行為是斷開連接請求，此時服務器將會根據引用計數來判斷是否還有客戶端其他的數據請求沒有完成。如果引用計數不為00，則進入狀態(9)。已經與服務器斷開連接基本上所有的監控軟件都帶有數據庫系統，這是因為現在工業現場要的數據量越來越大，而數據的組織形式也越來越復雜，不只要獲取單一的E．R實體分為保證數據庫的設計更具有通用性，能夠和BCet協議與OPC容，就必須對工業現場的所有實體做最高級別的抽象，使其獨立于具體的應用。工業現場中最高級別的抽象就是設備，因為所有的工業數據都在設備之上。根據t協議標準，設備其實也是一種對象，但是設備上還包含有數據對象和其實體關系圖如圖3．5圖3．5工業系統E—R實體關系而只從屬于一個設備，也就是說設備與數據對象之間是1：N的關系；同樣道理，說設備與報警對象之間是1：N的關系3．5．2根據E．R實體關系圖，可以確定數據庫表的結構，即系統至少需要三個表：記錄工業現場的人員信息。段如表3．2所示主數據要設備Dev非4設備非64字(2)數據對象表，由于設備對象與數據對象是l：N系劃分原則，在數據對象表中要有設備對象的3．5．2根據E．R實體關系圖，可以確定數據庫表的結構，即系統至少需要三個表：記錄工業現場的人員信息。段如表3．2所示主數據要設備Dev非4設備非64字(2)數據對象表，由于設備對象與數據對象是l：N系劃分原則，在數據對象表中要有設備對象的屬性。對象表如表3．3所示表3—3對象數據表對象對象數據類長要求說主4非空4非空設備4當前實8非描狀態標l事件標lOut脫離服1非空單8非空8COV8非COV增量屬實(3)報警對象表，由于設備對象與數據對象是1：N域數據類要求說報警整非空主4Dev整非空4日8報警時8報警類整非報警描字報警優8整1布確認標l非布(3)報警對象表，由于設備對象與數據對象是1：N域數據類要求說報警整非空主4Dev整非空4日8報警時8報警類整非報警描字報警優8整1布確認標l非布(4表3．5實時信息表域變量數據類要求所屬設備所屬對象Dev4非空主非空字主非空Obj——主非空4非空最大Max——44Min——4優先整非本章首先對BACnetOPC第4章BACnetOPC由于OPC技第4章BACnetOPC由于OPC技術是基于微軟的0L劇cOM／DcOM技術，因此對OPC開發可以采用微軟的v+6．0開發工具。根據結構化程序設計思想以及本服務器的需求，程序實現應該分為四大塊；程序界面實現、BACnet模塊實現、OPC服務器模塊實現和數據庫系統實現。程序界面主要是顯示服務器的狀態，并為用戶提供友好的人機交互的接口，咀方便用戶對服務器進行操作。Bnt模塊實現主要是對數據驅動模塊進行實現。OPC服務器模塊主要實現數據緩存部分和OPC的對外接[1部分。數據庫系統部分主要實現數據庫表的設計。為了使服BACnet模塊和BACnetdll和OPCSvr．dll4．1．1菜單欄／工具欄：主要為了操作BACrtet底層數據驅動和配置OPC提供的用戶接口，這些接口簡單、實用，操作起來非常方便，給用戶'f三到數據的實時值，因此在實時數據顯示區顯示數據的實時值以及其OPC屬性，其中最主要的屬性就是獲得數據的時間。BACneI模塊實數據驅動模塊主要是利用BCet協議提供的服務機制實現S／TP動工業現場設備的功能。按著數據驅動流程．首先實現S／P網絡配置，然后罄鎣盤霞■圈瞳酋■鞠曹醴童■瞄■睡瞄醢目 r_————日镕日圉4．2網絡配置武漢理12太學碩士學位武漢理12太學碩士學位論Ts廠rP需要配置的幾個參數。網絡名是BACnctBACetBCnetMSffP網卡目USBMACs，r網卡的地址，最大連接數指的是Ms，rP網絡能承載的最』=節點數。最大幀長度指的是應用層編碼幀的最大字節數，一般為125個字節掃描網絡是用戶通過菜單欄的掃描網絡命令來實現的，該命令的實質用BACnet應用層掃描網絡的服務。該服務的描述如下所示intbacnapiBACNAPI函數的出口參數是設備號列表，里面存有設備標識符、生產商標識息，調用成功函數返回0，調用失敗返回錯誤型，如I、O、I、O等：然后就是讀取對象的范圍，是讀一個還是讀多個4．1．3OPCOPC服務器中關于OPC標準接口的實現通過Tear-4．1．3OPCOPC服務器中關于OPC標準接口的實現通過Tear-o印4”技術米完成。f技術只實例化OPC標準接口中必須宴例化的部分即IUnnown接口，而其他接口將不會被實例化。只有當有客戶請求需要實例化這部分代碼時才會去實例化。客戶程序只會頻繁地調用它所需要的接【】，而對它不關心的接口可能一次也不會調用。因此，如果要實例化OPC所有的接口，將會增加系統開銷，造成不必要的浪OPC標準接口的實現可以分為以下幾步來完成實現OPCServer類、OPCGroup類和OPCTag4_4]口拄 0{℃表不需睦取黃姑魄標1代襲當盲r需里鞋取z4e．確取I圖4—4設置標簽類型界武漢理丁大學碩士武漢理丁大學碩士當用戶決定需要螨時增加對某一設備中某個變量的訪問，這時就需要要圖4．5添加4．1．4而且該數據庫系統只是一種添加的功能，不屬于OPC服務器的主體部分。因此文選擇MySQL數據庫作為數據庫管理系統的支撐。之所|三I選擇MySQL數據主要基于以下幾點考慮MySQL數據庫的存儲速度非常快．并且結構簡單，安裝方便，數據存儲的容量也很大。雖然MySQL在其他性能上比不上那些大型數據庫，但是在工業監控領域，使用MySQLMySQL于內存數據庫．對內存讀取數于內存數據庫．對內存讀取數據的速度將非常快，能夠滿足工業現場時陛的要求。因此，本系統就不需要再開發單獨的內存數據庫系(3)MySQL數據庫是款開源的軟件系統，用戶可以根據自身的需求對數據庫功能進行修改，具有很大的靈活性。另外，由于是開源，所以是免費的，這樣就降低了企業的成本以MySQL作為數據庫系統的支撐，只需要將設計好的數據庫袁在數據庫中進行實現，就能完成數據庫的設計功能。當然，同時要為數據庫訪問6顯示了對數據庫表的實現通過卜一節的開發實現，BACnetOPC服務器的開發部分已經完成。但這并不意味著所有工作的結束。開發完成以后，理所當然要進行測試，以對開發的結果進行驗證。本小節將從四個方面對BACnetOPC服務器進行測試，首先測試MS／TP網絡實時性測假設MS／TP網絡節點的數量Ⅳ為10，節點從0到MS／TP網絡實時性測假設MS／TP網絡節點的數量Ⅳ為10，節點從0到9的周期報文最大允許遲蛾分別為O．7，0．6，1．1，1．3，1．4，1．5，1．7，2．0，2．3，2．8(單位S)。根乃=疹SK2{1，l，1，2，2，2，3，3，4，4>t網絡節點周期報文產生的間隔情況如圖4．7報文，使得令牌輪詢周期中，整個報文的窗口大小始終保持在6了令牌輪詢周期n玎的抖動，使得其他節點能及時獲取令牌，從而保證了全網邏亞?節點：＆?旦?叟一叟?旦?曼一叟?殳一凸億砘如．心嘲節點＆??一旦??叟??叟??凸¨．。。．～節點t迎??一??????m．s叟??妙俳池．。鋤。節點。?一旦??一叟??．叟??曼節點，?一叟??一業??一旦??殳?帆．：一一節點8??．T8節點9一旦一h圖4．7MS題，進一步增強了網絡的可靠性和實時性，最重要的是該算法符合工程實踐的應用條件，具有現實意義4．2．2服務器數據訪問量測服務器的數據訪問量表明了服務器吞吐數據的能力，是數據服務器的非常重要的指標。本章通過逐步加大數據訪問量的方式，來對 OPC服圖4—8服務器數據訪問圖4—8服務器數據訪問從圖48中可以看出．當數據量比較少時，服務器的響應時間非常快，當數據量大約在100-10000個的時候，服務器的響應時間基本上穩定在800ms左右，這是因為OPC服務器的數據讀取是以組為單位，所以在組所能容納的范圍之內，響應速度基本上差不多。但是當服務器的數據訪問量增大到15000左右時，服務器的響應時間達到了3500ms，這說明服務器的性能大幅F降。因此，通過測試可以肯定，服務器的最大數據容量為10000個。這個數據與大型監控軟件相4．2．3本地監控軟件它具有監控軟件所應具有的基本功能，用戶能夠在該服務器上查看工業現場的實BCaetOPC圖4-9OPC武議理工大學碩士從圖49況，并且也能夠很好地顯示出數據的值及其變化，根據測算，數據在本地服務100as，武議理工大學碩士從圖49況，并且也能夠很好地顯示出數據的值及其變化，根據測算，數據在本地服務100as，4．2．4第三方軟件測第三方軟件測試包含兩方面的內容，一個測試OPC服務器向OPC供標準OPC數據服務器的測試．另一個則是測試遠程監控對本地數據庫系統的(1)OPCOPC客戶端讀取服務器數據測試首先要測試能否讀到本服務器上的數然后再測試讀到的數據的變化速率是否滿足要求。只有這兩點都達到了，才能保證OPC服務器提供的數據服務是合格的。OPC客戶端讀取數據效果如圖4—所示。從圖可以看出，OPC客戶端能夠讀取本服務器的數據，并且數據的變化茹目∞目口#d《d黧瓣瓣雨??～～口??w‘5口?¨I霜蕊r篙焉崔溢囂m焉凳器器m纛黼百圖4一10OPC客戶端讀取服務器數(2r～一-一r～一-一一o遍運篷量盈醫受壁囊：=．一：=。乏：矗日a翟＆翟g口目_《■i墨《目t&警§j目岱∞■■目l面：玉。圖4-11遠程監控系統訪問數據本章首先闡述了OPC服務器的實現思路，然后從四個方面：界面分、BACnet數據驅動部分、服務器模塊實現部分、數據庫系統對OPC行了編碼實現，接著對服務器的各項指標和性能進行了測試。測試結果表明本文所設計的服務器完全能達到要求。至此，BACnetOPC服務器的開發工作已經基本上完成第5章總結與第5章總結與OPC標準是在工業監控領域的一種新興標準，它的出現很好地解決了工業現場數據不能與企業生產管理和經營管理的數據進行交互的問題，有效地避免了“信息孤島"現象。但是OPC服務器一般采用現場總線對工業現場數據進行采集，而現場總線由于廠商不同導致通信協議不同從而造成了不同廠商的現場總線數據不能互通。而Ant協議具有很好的開放性和通用性，其最大的優點就是獨立于應用，實現樓宇設備間的互連互通，是樓宇自控網絡領域的通用標準。因此將Ant協議引入到工業監控領域，能有效地解決現場總路線所存在的問題。C標準與BACet協議相結合，將會使C服務器具有更強的通用性，同時對“管控一體化”的發展具有現實意義。本文深入研究了OPC規范和BACnet協議標準，并從理論上認證了二者結合的可能性和必要性。在此基礎之上提出了基于BACnet協議OPC服務器的總體設計方案，并按設計方案對服務器的各個部分進行了實現，完成服務器的編碼工作。最后對服務器的各項指標和性能進行測試，測試結果表明服務器達到了設計要求。本服務器在廣東省產學研合作項目中得了應用，反應良好。現將服務器進行論證與設計。為適應工業監控的需求，在原有算法的基礎之上提出了重點對BACnetOPC服務器進行了設計，使用結構化設計方器的總體設計劃分為四個部分，并分別對這四個部分進行了詳細的設計和論證以保證設計的可行性(3)利用Tear-off技術實現了OPC標準接口的開發，分別利用VC6．0工和MySQL數據庫實現了服務器界面和數據庫系統的開發。最后對服務器進行測試，結果表明設計達到了預期效果OPC標準和BOPC標準和BACnet協議都是開放式的、具有通用性的協議標準，隨著信息技術的不斷發展，以及協議本身的不斷完善，它們將會在工業控制領域發揮著越來越重要的作用。本文雖然完成了服務器的設計與實現，但是仍然有以下幾OPC標準的其他規范進行實現，如OPC報警與事件處理規范、OPC(2)對于BACnet的參考文[1高強，張亮，李月風．基于OPC技術的虛擬DCS監測系統設計[J】．自動化【2柴凱，侯立剛，姜軍銀．OPC技術在工業過程控制中的應用研究[J】．工業儀表置，2005(3)：70—董春橋．智能樓宇BACnet原理與應用．北京：電子工業出版社[M】，2003：159—pFoundation．OPCOverviewDefinitionsand1．O[S】，1998．1p眵FoundationDataAccess參考文[1高強，張亮，李月風．基于OPC技術的虛擬DCS監測系統設計[J】．自動化【2柴凱，侯立剛，姜軍銀．OPC技術在工業過程控制中的應用研究[J】．工業儀表置，2005(3)：70—董春橋．智能樓宇BACnet原理與應用．北京：電子工業出版社[M】，2003：159—pFoundation．OPCOverviewDefinitionsand1．O[S】，1998．1p眵FoundationDataAccessInterface1．O【SofModelofBACnet-陋Tae 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